DOI: 10.15199/17.2025.11.4, GWiTS 11/2025, listopad 2025
Pobierz PDF (Open Access)
Streszczenie:
Niniejsza praca przedstawia alternatywny, koncepcyjny model geotermalno-krasowego zasilania wód słodkich, stanowiący uzupełnienie wobec klasycznego cyklu hydrologicznego, opartego na parowaniu atmosferycznym, opadach i infiltracji powierzchniowej. Proponowany model integruje procesy geotermalnego podgrzewania solanki, transportu pary wodnej w szczelinach kliważowych – zarówno w warunkach kapilarnych, jak i ciśnieniowych – oraz jej kondensacji w chłodniejszych strefach górotworu. Ujęto również endotermiczne reakcje chemiczne, takie jak rozpuszczanie CO2 w kapilarach wodnych, w tym mikrokapilarach o wysokim ciśnieniu, prowadzące do tworzenia kwasu węglowego (H2CO2), oraz rozpuszczanie węglanu wapnia (CaCO2) przez wodę zawierającą CO2. Reakcje te przebiegają z pochłanianiem ciepła i lokalnym obniżeniem temperatury, co przyczynia się do stabilizacji termicznej wypływu. W przeciwieństwie do klasycznych ujęć hydrogeologicznych, model zakłada istnienie głębokiego zbiornika zasilającego, w którym energia magmy inicjuje cykl parowania i separacji soli. Skroplona woda przemieszcza się następnie przez struktury krasowe, niezależnie od sezonowych fluktuacji klimatycznych. Obecność reliktowych organizmów zimnolubnych (np. Gammarus pulex, Dugesia gonocephala) w źródłach o stałej temperaturze stanowi biologiczne potwierdzenie izolacji hydrotermalnej. Model znajduje częściowe potwierdzenie w dostępnej literaturze hydrogeologicznej, lecz proponuje nowy mechanizm transportu wody – oparty na ciśnieniu pary wodnej oraz efektach rozprężeniowych – który może lokalnie działać wbrew gradientowi grawitacyjnemu. W tym ujęciu rozpuszczanie nie jest warunkiem koniecznym: wystarczająca jest wymiana energii pomiędzy fazą gazową a cieczą, prowadząca do schłodzenia otaczającego środowiska i stabilizacji parametrów fizycznych wody. Model ten może stanowić podstawę do rewizji klasyfikacji źródeł krasowych, reinterpretacji genezy pokładów soli oraz prognozowania zasobów wodnych w strefach głębokich.
Słowa kluczowe: system geotermalny, przepływ kapilarny, kras, naturalna destylacja, migracja solanki, podpowierzchniowy obieg wody, reakcje endotermiczne, oddzielanie wody słodkiej, diapiryzm solny, procesy kondensacji, zbiorniki hydrotermalne, modelowanie geodynamiczne, geneza pokładów solnych
Abstract:
This study presents an alternative conceptual model of geothermal–karst freshwater recharge, serving as a complement to the classical hydrological cycle based on atmospheric evaporation, precipitation, and surface infiltration. The proposed model integrates processes of geothermal brine heating, vapor transport through cleavage fractures – under both capillary and pressure-driven conditions – and condensation in cooler zones of the rock mass. It also includes endothermic chemical reactions, such as the dissolution of CO2 in water capillaries, including high-pressure microcapillaries, leading to the formation of carbonic acid (H2CO2), as well as the dissolution of calcium carbonate (CaCO2) by CO2- enriched water. These reactions proceed with heat absorption and localized temperature reduction, contributing to the thermal stabilization of the outflow. In contrast to classical hydrogeological approaches, the model assumes the existence of a deep recharge reservoir, where magmatic energy initiates a cycle of evaporation and salt separation. The condensed water subsequently migrates through karst structures, independently of seasonal climatic fluctuations. The presence of relict cold-adapted organisms (e.g., Gammarus pulex, Dugesia gonocephala) in springs with stable temperatures provides biological evidence of hydrothermal isolation. The model finds partial support in existing hydrogeological literature, yet proposes a novel mechanism of water transport – driven by vapor pressure and expansion effects – which may locally operate against the gravitational gradient. In this framework, dissolution is not a necessary condition: energy exchange between the gaseous and liquid phases is sufficient to induce cooling of the surrounding environment and stabilization of the water’s physical parameters. This model may serve as a basis for revising the classification of karst springs, reinterpreting the genesis of salt deposits, and forecasting water resources in deep subsurface zones.
Keywords: geothermal system, capillary flow, karst, natural distillation, brine migration, subsurface water cycle, endothermic reactions, freshwater separation, salt diapirism, condensation processes, hydrothermal reservoirs, geodynamic modeling, salt dome genesis
Bibliografia
[1] Dingman, S. Lawrence. Physical Hydrology. 3rd ed. Long Grove, IL: Waveland Press, 2015.
[2] Fang, Tian, Quanlin Feng, Rui Zhou, Chaobin Guo, Siqi Wang, and Kun Gao. 2023.“A Coupled Thermal–Hydrological–Mechanical Model for Geothermal Energy Extraction in Fractured Reservoirs.” Journal of Petroleum Exploration and Production Technology 13: 2315–2327. https://doi.org/10.1007/s13202-023-01665-8
[3] Food and Agriculture Organization of the United Nations. 2025. AQUASTAT Database. Dostęp: 15 października 2025. https://www.fao.org/aquastat
[4] Global Runoff Data Centre (GRDC). Global River Discharge Database. Koblenz: Federal Institute of Hydrology (BfG). Accessed October 23, 2025. https://grdc.bafg.de/
[5] Hornberger, George M., Jeffrey P. Raffensperger, Patricia L. Wiberg, and Kirk N. 2014.Eshleman. Elements of Physical Hydrology. 2nd ed. Baltimore: Johns Hopkins University Press.
[6] Jiménez-Valera, José Antonio, Iván Alhama, Carlos Duque, and David Labat. 2025. “Interdependence Between River Aquifer Groundwater Flow and Temperature–Depth Profiles: Type Curves Based on Pi Theorem and Numerical Simulations.” Applied Sciences 15 (2): 596. https://doi.org/10.3390/app15020596
[7] Jourde, H., & Wang, X. 2023. ”Advances, challenges and perspective in modelling the functioning of karst systems: a review”. Environmental Earth Sciences, 82(17), Article 396. https://doi.org/10.1007/s12665-023-11034-7
[8] Kępińska, B. (2013–2016). “Przegląd wykorzystania energii geotermalnej w Polsce w latach 2012–2015”. Technika Poszukiwań Geologicznych. Geotermia, Zrównoważony Rozwój, nr 1/2013, s. 5–24; nr 1/2016, s. 5–13.
[9] Microsoft Copilot. 2025. Sugestie językowe i twórcze wspomaganie treści: materiały wspomagające proces redakcyjny oraz uwagi dotyczące cytowania źródeł AI w publikacji naukowej. Materiał niepublikowany. Redmond: Microsoft Corporation.
[10] National Renewable Energy Laboratory (NREL). Geothermal Play Fairway Analysis of Low-Temperature Resources for Sedimentary Basin Geothermal Play Types: An Example in the Denver Basin. Technical Report, 2024. https://www.nrel.gov/geothermal/publications
[11] Okoroafor, Rita Esuru, and Harold Vance (eds.). Geothermal Reservoir Modeling: Emerging Techniques, Practical Applications and Modeling Challenges. Special Issue of Water (ISSN 2073-4441), Hydrogeology Section. MDPI, 2025. https://www.mdpi.com/journal/water/special_issues/J6M6K39424
[12] Reeves Eyre, Jack, and Xubin Zeng. “The Amazon Water Cycle: Perspectives from Water Budget Closure and Ocean Salinity.” Journal of Climate 34, no. 4 (2021): 1439–1451. https://doi.org/10.1175/JCLI–D-20-0309.1
[13] Shuttleworth, W. James.2012. Hydrology and the Water Cycle. Cambridge: Cambridge University Press.
[14] Tóth, József. 1963. “A Theoretical Analysis of Groundwater Flow in Small Drainage Basins.” Journal of Geophysical Research 68 (16): 4795–4812. https://doi.org/10.1029/JZ068i016p04795
[15] U.S. Geological Survey. (2025). Water Data for the Nation. Dostęp: 15 października 2025. https://waterdata.usgs.gov